孫忠剛 ,簡忠武 ,熊建武,周 全,劉紅燕

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院, 長沙 410208；2. 湖南工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院,長沙 410208；3.湖南財經工業(yè)職業(yè)技術學院機電工程系, 湖南 衡陽 421002)

0 前言

塑料彎管產品注塑生產中因其彎管的形狀構造特點，管內特征直接脫模非常困難，需要設計特殊的彎管脫模機構來進行脫模，因而，模具的成本也隨機構的增加而急劇增加。彎管內壁的脫模，依據不同的內部形狀特點，須對應地設計不同的脫模機構，海爭平等[1]針對小于70 °旋轉角度、帶直身段彎管產品的脫模設計了一種復合彎管脫模機構，機構對彎管段采用液壓油缸抽芯方式抽芯，對直管段采用斜導柱機動抽芯方式抽芯，實現(xiàn)了帶直身段彎管的脫模；黃力等[2]針對洗發(fā)水螺紋瓶蓋的彎管特征的脫模，設計了一種在彎蕾滑塊動力板上設置驅動槽的方式來實現(xiàn)彎管沿圓弧路徑抽芯的脫模機構。顯然，彎管內壁的脫模難易程度一方面取決于彎管兩端軸心線的夾角大小，即彎曲程度，另一方面也取決于彎管內壁上附加設置的其他特征，比如彎管內螺紋特征、側壁孔特征[3-6]。另外，彎管內壁脫模的難易程度也取決于彎管兩端軸心線夾角處的圓弧特征的設計與否，軸心線夾角處圓弧半徑r=0時，可以在模具開模平面上直接將彎管的內型芯分成2段直接抽出，當軸心線夾角處圓弧半徑r>0時，則內壁上轉角內側處存在一個較小的型芯區(qū)域無法從彎管內抽出，需要設計特殊的脫模機構來實現(xiàn)彎管內壁的脫模[7-10]。

本文針對于某水泵彎管接頭產品的注射成型脫模需要，設計了一種軸心線夾角γ=120 (°)，r=110.5 mm時彎管內抽芯機構，機構利用2個油缸驅動彎管的兩端型芯鑲件，來完成大部分內壁區(qū)域的抽芯脫模，利用頂針板頂出內壁r彎角處成型塊來實現(xiàn)產品的管內壁完全脫模的目的，從而實現(xiàn)彎管產品自動化注塑生產的要求。

1 塑件及脫模設計分析

1.1 產品基本特征

泵管彎管接頭產品結構如圖1所示。產品材質選用改性塑料丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)/聚酰胺(PA)-707K合金，產品的外形尺寸為237 mm×197 mm×127 mm；其主體特征由3部分組成，兩頭為直管，中間為彎管。

具體的特征分布情況為：第一直管為Φ136 mm外徑的直身管端，第二直管的外徑為Φ121 mm的直身管端，兩端直管的中心夾角為120 (°)。兩頭直管的端面分別設計有各自的端面特征，Φ136 mm端面為圓管特征，F(xiàn)6所指處的外邊沿圓角R2 mm；F7所指處為Φ121 mm端面的140 mm×127 mm矩形板帶直孔特征，4個直孔的直徑為Φ16 mm。兩端的直管端通過中間的彎管端聯(lián)結在一起，彎管掃略扇形角度為60 (°)，其中，F(xiàn)4所指區(qū)域的彎管段中心線半徑為r=110.5 mm。管壁外部F3位置處有凹型刻字；F5所指處半徑為R4的球凹。F1、F2所指處的凹陷深度為10 mm。

F1～F7—特征位置(a)主視圖 (b)B-B剖視圖 (c)前視圖 (d)俯視圖 (e)A-A剖視圖 (f)軸測視圖圖1 彎管接頭產品結構Fig.1 Product structure of the elbow joint

1.2 分型及脫模分析

(1)脫模分析。結合圖1，如圖2所示，產品的分型設計須結合產品的脫模困難部位特征的脫模來進行布局安排，從模具脫模設計的角度來看，產品的脫模設計面臨2方面的問題，其一是管道內型芯件的抽出脫模，另一個是管壁外部凹凸特征的脫模，管道外部特征的脫模難易程度與產品在模具中的布局擺放相關，不同的布局擺放，針對具體位置特征而言，脫模的情況不一樣。

F1～F7—特征位置 T1～T8—脫模方向 L1、L2—型芯分界線O1—彎管扇形中心 M—抽芯盲區(qū)(a)主視圖 (b)心部彎管分型視圖 (c)兩側分型視圖 (d)前側分型視圖圖2 分型設計Fig.2 Parting design

因此，對于管道內壁的脫模而言，其脫模有以下幾種方式：第一種方式是管道內壁的型芯如果只設計成2個對接型芯，且2個型芯的抽出單純只按T6方向和T8方向抽出，但在2個成型件抽出后，還余下一個交叉盲區(qū)M區(qū)域無法抽出，因此對M區(qū)域的抽出須另外增設一個抽出機構，這種方式的抽芯機構的設計，其兩端的機構設置相對較為簡單，但M區(qū)域的抽出機構比較難做，須做進一步的精巧構思。 第二種方式是將管內型芯分成3段，兩端為直管抽芯，剩余的F4區(qū)域的中間彎管采用彎管機構進行抽芯，兩端的直管抽芯采用大距離油缸抽芯即可實現(xiàn)，但中間60 °夾角內的彎管段抽芯機構設置須設計旋轉抽芯機構來實現(xiàn)，彎管型芯不管從T6方向轉出還是從T8方向旋轉而出，都會與直管段型芯產生干涉，造成彎管段特征的無法脫模，顯然，方案二的可行性較差。針對于管外特征而言，不同的擺放會造成F1、F2、F3、F5、F6、F7區(qū)域內特征脫模方向的不同，有的可能還需增加特殊抽芯機構，因而產品在模具內的布局擺放影響到本產品模具結構設計中機構設計的難易程度和模具生產制造成本，因而，首要工作是對產品在模具中的布局做合理的設計安排。

T1～T7—脫模方向 X、Y、Z—模具的方向軸PL1～PL6—產品分型線 P1、P2—分型面(a)彎管平躺式布局 (b)彎管立身式布局 (c)產品分型設計圖3 產品布局Fig.3 Layout of the products

(2)布局分析。如圖3所示，本產品在模具中的布局有2種方式，其一是如圖3(a)所示，其二如圖3(b)所示。如果采用圖3(a)所示布局，則外壁特征的脫模情況為：F1、F2區(qū)域特征無須考慮增加機構來脫模，F(xiàn)3、F5、F6、F7須設計側向抽芯機構脫模，F(xiàn)4區(qū)域彎管內壁上M區(qū)域型芯的抽出機構不好設計，且T6、T8方向的抽芯機構的設置將加大模具模架的長寬尺寸，急劇增加模具模架的成本。相反，如果按圖3(b)所示立式布局，F(xiàn)4區(qū)域彎管內壁上M區(qū)域型芯的抽出機構比較好設計，可以直接單獨設計一個頂塊頂出，模具模架的尺寸最小，但其弊端是F1、F2、F3、F6區(qū)域特征須設計側向抽芯機構來實現(xiàn)脫模；針對F1、F2、F3、F6區(qū)域特征經進一步的特征尺寸分析后可知：F1、F2可采用側面滑塊進行抽芯脫模，F(xiàn)3可采用前模先抽芯滑塊進行抽芯脫模，而F6則直接采用側面抽芯方式進行脫模，因而，經初步的成本核算后，這幾個機構的制造成本相對較為低廉，所以彎管立身式布局方案較為可行。

(3)分型設計。按彎管立身式布局方案布局后，產品的分型設計如圖3(c)所示，產品的分型線有6條，分別為PL1～PL6，PL1為主分型線，用于產品上、下模腔鑲件的分割，其延拓后獲得產品的主分型面P1；PL2、PL3為側面滑塊分型線，分別用于F2區(qū)域特征、F1區(qū)域特征的側向成型件的分型；PL4用于分割F6區(qū)域特征側向成型件的分型，其延拓以后獲得側面分型面P2。PL5用于分割兩端直管型芯的分割，PL6則用管內M區(qū)域型芯的分割。

2 模具設計

2.1 整體結構

依據上述分模設計，最終設計的模具結構如圖4所示。模具的整體結構設計情況為：

1—法蘭灌嘴 2—面板 3—脫料板 4—型腔固定板 5—螺釘 6—型芯固定板 7—墊塊 8—模腳 9—底板 10—頂針推板 11—推管12—支撐柱 13—復位彈簧 14—復位桿 15—下模水嘴 16—上模水嘴 17—左斜導柱壓板 18—左斜導柱 19—左滑塊20—左滑塊壓條 21—左滑塊耐磨板 22—右斜導柱壓板 23—右斜導柱 24—右滑塊 25—右滑塊壓條26—右滑塊耐磨板 27—Φ136管端型芯 28—鎖緊楔緊插桿 29—中間滑塊 30—油缸拉桿 31—上油缸座32—上油缸 3 3—中間塊壓條 34—型腔鑲件 35—型芯鑲件 36—左伸縮塊 37—右伸縮塊 38—內彎M盲區(qū)成型頂桿39—Φ121管端圓柱型芯 40—齒輪軸 41—圓柱型芯驅動齒輪 42—外驅動齒條 43—外齒條導向塊 4 4—外驅動齒輪45—圓柱型芯齒條 46—下油缸 47—導向斜槽 48—圓柱型芯鎖緊塊 49—鎖緊塊插桿 50—斜型芯 51—斜型芯驅動插桿52—尼龍扣機 53—脫料板彈簧 54—脫料板拉桿 55—定模板拉桿 56—模架主導柱 57—模腔副導柱 PL1～PL3—模具分型面(a)B-B前剖視圖 (b)A-A左剖視圖 (c)K向視圖 (d)動橫俯視圖 (e)定橫仰視圖 (f)橫具軸俯視圖圖4 模具結構Fig.4 Mould structure

(1)模架選用LKM DDI點澆口標準模架；

(2)澆注采用點澆口單點中央進料澆注方式；

(3)冷卻采用水冷方式，型腔鑲件34、型芯鑲件35都采用平排式回形水路方式進行冷卻；

(4)排氣通過鑲件件的配合間隙進行排氣，依據材料特性，排氣間隙控制在δ=0.01～0.025 mm之間；

(5)產品的頂出采用推管推出+鑲件頂出共同頂出方式進行頂出；

(6)脫模機構中，結合圖3(c)所示的分型設計，設計了6個機構來實現(xiàn)彎管內、外壁的脫模。3個外壁脫模機構，分別為：針對F1區(qū)域、F2區(qū)域特征脫模的2個對稱布局的2個斜導柱滑塊抽芯機構；針對F3區(qū)域的1個斜向隧道式滑塊抽芯機構。3個內壁脫模機構，分別為：針對F6區(qū)域側端面及Φ136 mm一端內管壁的油缸滑塊側抽芯機構；針對管內壁Φ121 mm一端的油缸驅動圓柱型芯斜向抽芯機構；針對圖2中所示的M盲區(qū)的彎曲式頂桿脫模機構；

(7)為保證上述機構的順利運行，設計了一組模板開閉控制機構來實現(xiàn)模具3次分型的開模、閉模順序動作控制，模具3次分型開模的順序動作為PL1→PL2→PL3，閉模動作順序為PL3→PL2→PL1；

模板開閉控制機構的零件包括零件52～55，用于控制模板的3次分型打開。

本模具設計中，模具設計的重點和難點是彎管內壁的脫模，以下是各組成部分的設計的具體情況。

2.2 模架

模架選用的規(guī)格為LKM DDI8080-A300-B450-C350，考慮到產品的實際頂出為推管頂出+鑲件頂出共同頂出，為便于推管的安裝11、內彎M盲區(qū)成型頂桿38的安裝，對模架的頂出板做了改進設計，換用了一塊增厚的頂針推板10，而后在其對應位置設置了一塊小壓板，通過該壓板來對推管11機構中外圓推管進行壓緊安裝，同時，也對內彎M盲區(qū)成型頂桿38的下端進行壓緊固定安裝，這樣，便于這2個易損件的裝配和維修。

2.3 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)的澆口為單點點澆口，澆口位置的開設如圖4的A-A剖視圖所示，澆口直徑采用Φ1.2 mm澆口；為縮短流道長度，定位環(huán)采用法蘭灌嘴1；流道截面采用梯形截面，其尺寸為8 mm×6 mm×6 mm，流道表面光潔度Ra須拋光至Ra=0.4。

2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻采用水冷方式，模具初始模溫應控制在55～60 ℃之間，因而，冷卻水進口水溫為25～28 ℃之間，出口水溫控制在30～32 ℃之間。型腔鑲件35設置4條平排式水路，型芯鑲件36設置3條平排式水路。7條水路的管道直徑都為Φ10 mm；下模水嘴15、上模水嘴16皆采用彈卡式錐度螺紋 PT1/8快速水嘴。管道在鑲件間的密封采用“O”形橡膠圈密封，橡膠圈規(guī)格為Φ14 mm×Φ3.5 mm。

2.5 脫模機構

承上所述，脫模機構分為2種類型，管外壁脫模機構和管內壁脫模機構。管外壁脫模機構包括3個脫模機構，分別為左側F1區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構、右側F2區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構、F3區(qū)插桿隧道式斜向滑塊抽芯機構。管內壁的抽芯機構為包含3個子機構的復合抽芯機構，包括F6區(qū)域側端油缸滑塊側抽芯機構、F7區(qū)域斜側端油缸驅動圓柱型芯斜向抽芯機構、M盲區(qū)的彎曲式頂桿頂出脫模機構,各子脫模機構的詳細設計如下：

(1)外壁脫模機構。外壁脫模機構3個子機構的設計分別如下：

①外壁側面斜導柱滑塊抽芯機構。左側F1區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構用于實現(xiàn)F1區(qū)域特征的側面脫模，同樣，右側F2區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構用于實現(xiàn)F2區(qū)域特征的側面脫模，兩者結構相同，均為普通型斜導柱滑塊抽芯機構；左側F1區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構機構的組成零件包括零件17～21，右側F2區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構的組成零件包括零件22～26；以左側F1區(qū)斜導柱滑塊抽芯機構為例，其左斜導柱18通過左斜導柱壓板17壓緊安裝于型腔固定板4的腔槽內，用于模具在PL3分型面打開時驅動左滑塊19向外抽芯，左滑塊19通過左滑塊壓條20進行導向，并由尾部的限位螺釘進行限位，其抽芯行程為15 mm；左滑塊耐磨板21為磨損件，以保護左滑塊19的磨損壽命。左滑塊19的斜孔斜角為20 °，其后端背面的鎖緊斜坡面斜角為23 (°)。

② F3區(qū)插桿隧道式斜向滑塊抽芯機構。該機構為一種前模先抽芯機構，機構主要零件包括零件50、51，斜型芯50安裝于型腔鑲件34所開設的隧道槽內，斜型芯50的頭部用于成型F3區(qū)域的刻字，斜型芯驅動插桿51通過螺釘緊固安裝于面板2上，其下端的設置有與斜型芯50尾部聯(lián)結的T形槽，用于驅動斜型芯50的斜向抽芯，斜型芯50的抽芯距離為8 mm。

(2)內壁脫模機構。管內壁脫模機構為一種復合抽芯機構，該復合機構包括3個子機構，機構的三維視圖如圖5(a)所示，結構組成分別為：

①F6區(qū)域側端油缸滑塊側抽芯機構。機構組成零件包括27～33，上油缸32通過驅動中間滑塊29從而驅動Φ136管端型芯27按T6方向向外抽芯;鎖緊楔緊插桿28用于閉模時對中間滑塊29進行鎖緊;Φ136管端型芯27的前端設計了一個高度為3 mm,錐面角度為10 °的錐臺與Φ121管端圓柱型芯39配合,用于閉模時兩者的精確碰合定位,如圖5(b)所示。

18—左斜導柱 23—右斜導柱 27—Φ136管端型芯 28—鎖緊楔緊插桿 29—中間滑塊 31—上油缸座 32—上油缸33—中間塊壓條 38—內彎M盲區(qū)成型頂桿 39—Φ121管端圓柱型芯 40—齒輪軸 41—圓柱型芯驅動齒輪42—外驅動齒條 43—外齒條導向塊 44—外驅動齒輪 45—圓柱型芯齒條 46—下油缸 47—導向斜槽48—圓柱型芯鎖緊塊 49—鎖緊塊插桿 50—斜型芯 51—斜型芯驅動插桿 T1、T2、T6、T8—脫模方向(a)復合機構三維圖 (b)復合機構平面裝配圖圖5 管內壁復合抽芯機構Fig.5 Tube inner wall composite core pulling mechanism

27—Φ136管端型芯 36—左伸縮塊 37—右伸縮塊38—內彎M盲區(qū)成型頂桿 39—Φ121管端圓柱型芯T8、T9、T10—脫模方向(a)內收滑塊安裝 (b)彎曲式頂桿安裝圖6 Φ121管端圓柱型芯結構Fig.6 Cylindrical core structure of the tube end

②F7區(qū)域圓柱型芯斜向抽芯機構。如圖5所示,該機構的組件包括零件36～49；Φ121管端圓柱型芯39的下端內側通過螺釘緊固安裝有圓柱型芯齒條45，其上端通過燕尾槽連接安裝有2個側邊收縮型芯鑲件左伸縮塊36和右伸縮塊37，如圖6中E-E和G-G剖視圖所示，Φ121管端圓柱型芯39按T8向下抽芯時，由于包緊摩擦力的作用，左伸縮塊36和右伸縮塊37不能跟隨Φ121管端圓柱型芯39同步前進，只能沿燕尾槽產生相對滑動，從而驅動左伸縮塊36按T9方向、右伸縮塊37按T10方向向內收縮脫模，待左伸縮塊36和右伸縮塊37與產品脫離接觸后再在兩者的限位螺絲拉動下跟隨Φ121管端圓柱型芯39同步前進，脫離管道內壁；左伸縮塊36和右伸縮塊37各設置有一個螺釘限位防止其從Φ121管端圓柱型芯39上端脫落。圓柱型芯驅動齒輪41與圓柱型芯齒條45嚙合配合，圓柱型芯驅動齒輪41、外驅動齒輪44同裝于齒輪軸40上，由下油缸46所驅動的外驅動齒條42來驅動而轉動，用于驅動Φ121管端圓柱型芯39沿T8方向做抽芯運動。外驅動齒條42由外齒條導向塊43進行導向，由下油缸46的芯桿聯(lián)結并驅動其來驅動外驅動齒輪44轉動。為了保證閉模注塑時，Φ121管端圓柱型芯39在注塑壓力下不沿T8方向松退，由零件47～49構成的鎖緊機構來對Φ121管端圓柱型芯39進行鎖緊，其具體工作情況為鎖緊塊插桿49與圓柱型芯鎖緊塊48通過T形槽滑動配合聯(lián)結，鎖緊塊插桿49在PL3分型面閉合時對圓柱型芯鎖緊塊48進行鎖緊，并由導向斜槽47進行反鎖，反之，PL3打開時驅動其向外抽芯解鎖。

③M盲區(qū)的彎曲式頂桿頂出脫模機構 結合圖3所示，管內型芯經PL5、PL6分割出M盲區(qū)的彎曲式成型件，將該成型件的下端做成頂桿形式的零件內彎M盲區(qū)成型頂桿38，其下端通過螺釘緊固方式緊固安裝于頂針推板10上，待Φ121管端圓柱型芯39拖動左伸縮塊36和右伸縮塊37從管道內壁脫出后，同步與推管11將產品從型芯鑲件35上頂出。

3 模具工作原理

模具開模時，按圖4中所示的模具分型面PL1→PL2→PL3的次序依次打開，模具的工作過程分以下幾個動作完成：

①閉模注塑。模具閉合，注塑完畢等待開模；

②PL1打開。開模時，模具動模后退，模具首先在PL1分型面處打開，打開時，模腔內產品與流道廢料在點澆口處斷開分離，同步地，鎖緊楔緊插桿28解除對中間滑塊29的鎖緊，斜型芯驅動插桿51驅動斜型芯50先完成F3區(qū)域的抽芯；

③PL2打開。動模繼續(xù)后退，PL2打開，打開時，脫料板3將流道廢料從法蘭灌嘴1中拔出，流道廢料自動脫模；

④PL3打開。動模繼續(xù)后退，PL3打開，打開時，產品從型腔鑲件34中脫出，同步地，左斜導柱18、右斜導柱23同步驅動左滑塊19、右滑塊24向外抽芯；鎖緊塊插桿49驅動圓柱型芯鎖緊塊48解除對Φ121管端圓柱型芯39的鎖閉。管內壁脫模 PL3打開后，上油缸32通過驅動驅動Φ136管端型芯27按T6方向向外抽芯；而后下油缸46動作，驅動Φ121管端圓柱型芯39沿T8方向做抽芯運動，左伸縮塊36按T9方向、右伸縮塊37按T10方向內收，三者脫離產品，并給內彎M盲區(qū)成型頂桿38讓出頂出空間；

⑤頂出。動模繼續(xù)后退，注塑機頂桿推動頂針推板10，從而推動四根推管11及內彎M盲區(qū)成型頂桿38將產品從型芯鑲件35上完全頂出脫模，實現(xiàn)產品的自動化注塑生產；

⑥復位。復位時，動模前進，頂針推板10先復位，而后是下油缸46、上油缸32先后復位，再后是模具PL3→PL2→PL1的次序依次復位，模具完全閉合，等待下一個注塑循環(huán)。

4 結論

(1)在分析其脫模方式及布局分型的基礎上，設計了一種1模1腔單點點澆口注塑模具，產品的脫模分外壁脫模和內壁脫模2種情況進行；

(2)外壁脫模機構包括3個脫模機構，2個滑塊側抽芯機構和1個隧道式斜滑塊機構；

(3)內壁的脫模機構為一種復合式彎管內壁脫模機構，其結構組成包括1個油缸抽芯機構、1個特殊的油缸驅動帶伸縮滑塊斜向抽芯機構以及1個變形式頂桿機構，機構中，特殊油缸驅動帶伸縮滑塊斜向抽芯機構的設計，巧妙地利用管內型芯的幾何特點，對管內型芯進行分塊，實施直線式抽芯，避免了彎管內壁彎管段采用旋轉抽芯方式脫模所帶來的機構設計復雜性和脫模機構動作的復雜性，機構能在豎直平面內布局，有效地節(jié)省了模具模架的使用尺寸，降低了模具制造成本；

(4)本模具中，機構設計簡單，動作可靠，模具結構布局合理，能為同類產品的成型生產提供有益借鑒。